特許 7532574 光デバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-08-02

(45)【発行日】2024-08-13

(54)【発明の名称】光デバイス

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/01 20060101AFI20240805BHJP

   H04B 10/70 20130101ALI20240805BHJP

   H04B 10/548 20130101ALI20240805BHJP

【ＦＩ】

G02F1/01 C

H04B10/70

H04B10/548

【請求項の数】 18

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2023023722

(22)【出願日】2023-02-17

(65)【公開番号】P2023184418

(43)【公開日】2023-12-28

【審査請求日】2023-02-20

(31)【優先権主張番号】2208954.4

(32)【優先日】2022-06-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(74)【代理人】

【識別番号】110003708

【氏名又は名称】弁理士法人鈴榮特許綜合事務所

(72)【発明者】

【氏名】タオフィク パライソ

(72)【発明者】

【氏名】アンドリュー ジェームス シールズ

【審査官】山本 元彦

(56)【参考文献】

【文献】特開２００１－０２８５８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０４０９５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１４８７９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０２５５５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１８－５１５０４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００７－５３５７１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２２／００３７０４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１３／０３０１０９４（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｆ １／００－１／１２５

Ｇ０２Ｆ １／２１－７／００

Ｈ０４Ｂ １０／００－１０／９０

Ｇ０９Ｃ １／００－５／００

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴＣｈｉｎａ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光ルーティング素子によって受光された光が第１の光路または第２の光路の一方へと方向付けられるように、前記第１の光路および前記第２の光路に結合された前記光ルーティング素子と、
前記第１の光路および前記第２の光路を単一の出力経路へと結合するコンバイナと、
制御信号を前記光ルーティング素子に適用するコントローラと、前記制御信号は、前記光ルーティング素子によって受光された前記光の一部分が前記第１の光路へと方向付けられるのか前記第２の光路へと方向付けられるのかを示し、
前記第１の光路を通してルーティングされる光パルスと前記第２の光路を通してルーティングされる光パルスとの間に所定の固定位相差が提供されるように前記第１の光路に設けられた位相制御素子と、
を備え、
前記光ルーティング素子は、前記制御信号に応答して第１のルーティング状態と第２のルーティング状態とを切り替え可能であり、前記第１のルーティング状態では、前記光ルーティング素子は、受信された光パルスを前記第１の光路へと方向付け、前記第２のルーティング状態では、前記光ルーティング素子は、受信された光パルスを前記第２の光路へと方向付ける、光デバイス。

【請求項2】

前記制御信号は、第１のパルスおよび第２のパルスを有する連続するコヒーレントなパルス対のための符号化状態を示し、
前記光ルーティング素子は、第１の符号化状態を示す前記制御信号に応答して、前記第１のパルスを前記第１の光路へと方向付ける前記第１のルーティング状態から、前記第２のパルスを前記第２の光路へと方向付ける第２のルーティング状態に切り替えるように構成され、
前記光ルーティング素子は、第２の符号化状態を示す前記制御信号に応答して、前記第１のパルスを前記第２の光路へと方向付ける前記第２のルーティング状態から、前記第２のパルスを前記第１の光路へと方向付ける前記第１のルーティング状態に切り替えるように構成される、
請求項１に記載の光デバイス。

【請求項3】

前記所定の固定位相差は、前記第１の符号化状態および前記第２の符号化状態が第１の基底の直交状態となるようにするものである、請求項２に記載の光デバイス。

【請求項4】

前記光ルーティング素子は、第３の符号化状態を示す前記制御信号に応答して、前記第１のパルスおよび前記第２のパルスの両方を前記第１の光路を通してルーティングするために前記第１のルーティング状態を維持し、または前記第１のパルスおよび前記第２のパルスを前記第２の光路を通してルーティングするために前記第２のルーティング状態を維持するように構成され、
前記第３の符号化状態は、第２の基底における状態であり、前記第１の基底および前記第２の基底は共役基底である、請求項３に記載の光デバイス。

【請求項5】

前記第１の光路の少なくとも一部分を規定する第１の導光素子と、前記第２の光路の少なくとも一部分を規定する第２の導光素子とをさらに備える、請求項１に記載の光デバイス。

【請求項6】

前記固定位相差は、前記第２の導光素子の少なくとも一部分とは異なる光伝搬定数を有する前記第１の導光素子の少なくとも一部分によって提供される、請求項５に記載の光デバイス。

【請求項7】

異なる光伝搬定数は、異なる屈折率、異なる幾何学的プロファイル、および異なる化学組成のうちの少なくとも１つを有する、前記第１の導光素子の前記少なくとも一部分と前記第２の導光素子の前記少なくとも一部分とによって提供される、請求項６に記載の光デバイス。

【請求項8】

前記位相制御素子は能動位相制御素子であり、前記能動位相制御素子は、熱光学素子、ＭＥＭＳ素子、圧電部品、キャリア注入位相変調器、キャリア空乏化位相変調器、または電気光学位相変調器のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の光デバイス。

【請求項9】

前記位相制御素子は、第１の位相制御素子であり、前記光デバイスは、前記第２の光路に設けられた第２の位相制御素子をさらに備える、請求項１に記載の光デバイス。

【請求項10】

前記光ルーティング素子は、１つまたは複数のさらなる光路に結合され、前記コンバイナは、前記１つまたは複数のさらなる光路を前記単一の出力経路へとさらに結合し、
前記制御信号は、前記光ルーティング素子によって受信された光パルスが前記第１の光路へと方向付けられるのか、前記第２の光路へと方向付けられるのか、または前記１つまたは複数のさらなる光路のうちのいずれか１つへと方向付けられるのかをさらに示し、
前記１つまたは複数のさらなる光路の各光路には、位相制御素子が設けられている、請求項１に記載の光デバイス。

【請求項11】

前記光ルーティング素子によって受信されることになる光パルスを生成する光源をさらに備える、請求項１に記載の光デバイス。

【請求項12】

前記光源は、レーザ、光学フィルタ、強度変調器、および時間遅延干渉計のうちの１つまたは複数を備える、請求項１１に記載の光デバイス。

【請求項13】

前記光源は、１未満の平均光子数を有する光パルスを生成する、請求項１１に記載の光デバイス。

【請求項14】

前記光ルーティング素子によって受光された光の強度を制御する１つまたは複数の入力光強度制御素子をさらに備える、請求項１に記載の光デバイス。

【請求項15】

前記第１の光路の出力の光強度および／または前記第２の光路の出力の光強度を制御する１つまたは複数の出力光強度制御素子をさらに備える、請求項１に記載の光デバイス。

【請求項16】

フォトニックチップをさらに備え、前記光デバイスは、前記フォトニックチップ上に実装される、請求項１に記載の光デバイス。

【請求項17】

請求項１に記載の前記光デバイスと、前記単一の出力経路からの出力を受信し、前記出力を１つまたは複数の基底で測定する光受信機とを備える量子通信システム。

【請求項18】

量子状態を符号化する方法であって、
光源からコヒーレントな光パルス対を受信するステップと、
制御信号を受信するステップと、
前記制御信号に応答して、前記光パルス対のうちの第１のパルスを第１の光路または第２の光路へとルーティングし、前記光パルス対のうちの第２のパルスを前記第１の光路または前記第２の光路へとルーティングするステップと、ここにおいて、前記第１の光路を通る光パルスと前記第２の光路を通る光パルスとの間に所定の固定位相差が提供されるように前記第１の光路に位相制御素子が設けられ、
少なくとも前記第１の光路と前記第２の光路の出力を単一の出力経路へと組み合わせるステップと、
を備え、
前記ルーティングするステップは、前記制御信号に応答して、第１のルーティング状態と第２のルーティング状態とを切り替え可能であり、前記第１のルーティング状態では、受信された光パルスを前記第１の光路へと方向付け、前記第２のルーティング状態では、受信された光パルスを前記第２の光路へと方向付ける、方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書に記載の実施形態は、量子状態を位相符号化するための光デバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

量子通信システムにおいて、情報は量子ビットすなわちキュービットへと符号化され、それらは次いで送信機によって受信機に送られる。キュービットは、光子などの単一量子の選択された基底の量子状態によって符号化され得る。量子状態は、純粋な量子状態を定義するために光子の特性を使用し、そして純粋な量子状態間の位相関係を変化させて基底の選択された状態を形成することによって形成され得る。

【0003】

符号化された量子状態は、量子鍵配送（ＱＫＤ）を含む量子暗号方法への実用的応用を有する。ＱＫＤ方式では、二者間、すなわち、送信機（多くの場合「アリス」と呼ばれる）と受信機（多くの場合「ボブ」と呼ばれる）との間で暗号鍵が共有される。情報の符号化および復号は、古典的な暗号技法を使用して古典チャネルを介してアリスとボブとの間で共有鍵を使用することにより行われるが、鍵は、多くの場合「イブ」と呼ばれる第三者による盗聴に対してセキュアにされている特性を有する量子通信チャネルを介して配送される。ＱＫＤ方式では、アリスは情報の符号化のために２つ以上の基底を選択し、ここで各基底は、その基底を形成する複数の相互直交状態を含んでいる。基底は互いに偏らないように選択されるので、符号化ビットの測定に使用された基底が、符号化ビットの符号化に使用された基底と同じである場合、元の状態を正確に測定することができるが、測定基底が符号化基底と異なる場合、測定は、測定基底における状態をランダムに出力することになる。光子の量子力学的特性に起因して、イブが、光子の状態に永続的に影響を及ぼすことなく、そしてアリスとボブにイブの存在について警告することなく、光子を測定し、送信し直すことは不可能である。

【0004】

次に本発明の実施形態について、添付図面を参照して例として説明する。

【図面の簡単な説明】

【0005】

【図1】１つの実施形態に係る量子状態エンコーダの概略図である。

【図2A】図１の量子状態エンコーダを使用した第１の状態の符号化を例示する概略図である。

【図2B】図１の量子状態エンコーダを使用した第２の状態の符号化を例示する概略図である。

【図2C】図１の量子状態エンコーダを使用した第３の状態の符号化を例示する概略図である。

【図3】図２Ａ～図２Ｃの第１、第２、および第３の状態を符号化するための、制御信号の光ルーティング素子への適用を例示する時間－電圧の図である。

【図4】さらなる量子状態エンコーダを例示する概略図である。

【図5】図４の量子状態エンコーダを使用して符号化されてよい量子状態のコンステレーションを例示する。

【図6】フォトニックチップ上に形成された光デバイスを例示する概略図である。

【図7】エンコーダとしての働きをする光デバイスと光受信機とを含む量子通信システムを例示する概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0006】

様々な態様および実施形態は添付の特許請求の範囲に提示される。

【0007】

１つの実施形態では、光デバイスが提供され、本光デバイスは、光ルーティング素子によって受光された光が第１の光路または第２の光路の一方へと方向付けられるように、第１の光路および第２の光路に結合された光ルーティング素子と、第１の光路および第２の光路を単一の出力経路へと結合するコンバイナと、制御信号を当該光ルーティング素子に適用するコントローラと、制御信号は、光ルーティング素子によって受光された光の一部分が第１の光路へと方向付けられるのか第２の光路へと方向付けられるのかを示し、第１の光路を通してルーティングされる光パルスと第２の光路を通してルーティングされる光パルスとの間に所定の固定位相差が提供されるように第１の光路に設けられた位相制御素子と、を備える。

【0008】

開示されたシステムは、ＱＫＤのために使用される量子状態など、量子状態の符号化に関係する技術的課題に対処する。すなわち、システムは、位相不安定性およびドリフトを最小限にして量子状態を符号化するという技術的課題に対処し、それによって量子ビット誤り率（ＱＢＥＲ）を低減し、より高い秘密鍵レート（ＳＫＲ）を提供する。

【0009】

複数の符号化方式をＱＫＤのために使用することができる。１つの例は、偏光符号化であり、選択される基底は、直線偏光基底および対角偏光基底である。第２の例は、タイムビン符号化であり、量子状態は、パルスを互いに区別するのに十分な時間遅延だけ分離した「タイムビン」へと分離されたコヒーレントなパルス対を準備することによって符号化される。

【0010】

タイムビン符号化方式では、２つのパルスは、前のタイムビンにあり｜０＞状態を表す前パルス｜ｅ＞と、後のタイムビンにあり｜１＞状態を表す後パルス｜ｌ＞とによって表すことができる。量子状態は、前パルスおよび後パルスを組み合わせたものによって構築することができる。前パルスと後パルスは、互いに位相関係φを有する。異なる状態は、異なる位相によって表され、例えば、第ｉの状態については、

【数1】

である。位相は、ＱＫＤのための基底を構築するように選択され得、例えば、状態の少数の基底（minority basis）｛０，π｝は以下であり、
｜ψ_１＞＝｜ｅ＞＋｜ｌ＞
｜ψ_２＞＝｜ｅ＞－｜ｌ＞
状態の多数の基底（majority basis）｛π／２，３π／２｝は以下である。

【数2】

【0011】

タイムビン状態は、単一光子パルスを生成し、非対称マッハツェンダ干渉計（ＡＭＺＩ）などの光ビームスプリッタにより各光子パルスを分割することによって生成することができる。分割されたパルスの各々は、再結合される前に、各アームが異なる経路長を有する異なるアームに方向付けられる。異なる経路長により、タイムビン分離に対応する時間遅延がパルス間に導入される。時間遅延は、デコヒーレンスが生じるほどのものではないが、パルスを区別するには十分なものである。例えば、時間差は約５００ｐｓまたは１ナノ秒であってよい。

【0012】

本明細書に記載の光デバイスは、位相遅延を提供するために１つの光路において位相制御素子の特徴をなすさらなる干渉計を使用することにより２つのタイムビンパルス間の位相シフトφを符号化する方法を提供する。よって、前パルスおよび後パルスのうちのどちらかを位相制御素子を有する経路へと方向付けるかを選択することによって、異なる符号化状態を生成することができる。例えば、位相遅延は、受動位相制御素子によって導入することができ、または位相変調器などの能動位相制御素子によって導入することができる。前パルスまたは後パルスを異なる光路に選択的に方向付けるために光ルーティング素子が使用される。

【0013】

これは、単一の固定位相差を提供する単一の位相制御素子を使用することにより、多くの符号化状態を生成することができることを意味する。そのため、光デバイスには、複数の状態を符号化するために複数のレベルを切り替え可能である高速位相変調器は必要ない。また光デバイスには、同じ効果を達成するために複数の切り替え可能な位相変調器も必要ない。位相レベルの切り替えを最小限にし、必要な構成部品を最小限にすることによって、光デバイスは、複雑でなくなり、高価でなくなり、パワー集約的でなくなる。そのため、光デバイスはまた、位相変調器の状態を絶えず切り替えることから生じ得る位相不安定性またはドリフトに対しても弱くなくなる。そのため、光デバイスは、ＱＢＥＲを低減し、より高いＳＫＲを提供する。

【0014】

１つの実施形態では、光ルーティング素子は、制御信号に応答して第１のルーティング状態と第２のルーティング状態とを切り替え可能であり、第１のルーティング状態では、光ルーティング素子は、受信された光パルスを第１の光路へと方向付け、第２のルーティング状態では、光ルーティング素子は、受信された光パルスを第２の光路へと方向付ける。

【0015】

１つの実施形態では、制御信号は、第１のパルスおよび第２のパルスを有する連続するコヒーレントなパルス対のための符号化状態を示し、光ルーティング素子は、第１の符号化状態を示す制御信号に応答して、第１のパルスを第１の光路へと方向付ける第１のルーティング状態から、第２のパルスを第２の光路へと方向付ける第２のルーティング状態に切り替えるように構成され、光ルーティング素子は、第２の符号化状態を示す制御信号に応答して、第１のパルスを第２の光路へと方向付ける第２のルーティング状態から、第２のパルスを第１の光路へと方向付ける第１のルーティング状態に切り替えるように構成される。

【0016】

１つの実施形態では、所定の固定位相差は、第１の符号化状態および第２の符号化状態が第１の基底の直交状態となるようにするものである。

【0017】

１つの実施形態では、光ルーティング素子は、第３の符号化状態を示す制御信号に応答して、第１のパルスおよび第２のパルスの両方を第１の光路を通してルーティングするために第１のルーティング状態を維持し、または第１のパルスおよび第２のパルスを第２の光路を通してルーティングするために第２のルーティング状態を維持するように構成され、第３の符号化状態は、第２の基底における状態であり、第１の基底および第２の基底は共役基底である。

【0018】

１つの実施形態では、光デバイスはさらに、第１の光路の少なくとも一部分を規定する第１の導光素子と、第２の光路の少なくとも一部分を規定する第２の導光素子とを備える。

【0019】

１つの実施形態では、固定位相差は、第２の導光素子の少なくとも一部分とは異なる光伝搬定数を有する第１の導光素子の少なくとも一部分によって提供される。

【0020】

１つの実施形態では、固定位相差は、第２の導光素子の少なくとも一部分とは異なる長さを有する第１の導光素子の少なくとも一部分によって提供される。

【0021】

１つの実施形態では、異なる光伝搬定数は、異なる屈折率、異なる幾何学的プロファイル、または異なる化学組成のうちの少なくとも１つを有する、第１の導光素子の少なくとも一部分と第２の導光素子の少なくとも一部分とによって提供される。

【0022】

１つの実施形態では、位相制御素子は能動位相制御素子であり、位相制御素子は、熱光学素子、ＭＥＭＳ素子、圧電部品、キャリア注入位相変調器、キャリア空乏化位相変調器（carrier depletion phase modulator）、または電気光学位相変調器のうちの少なくとも１つを含む。

【0023】

１つの実施形態では、位相制御素子は、第１の位相制御素子であり、光デバイスはさらに、第２の光路に設けられた第２の位相制御素子を備える。

【0024】

１つの実施形態では、光ルーティング素子は、１つまたは複数のさらなる光路に結合され、コンバイナはさらに、１つまたは複数のさらなる光路を単一の出力経路へと結合し、制御信号は、光ルーティング素子によって受信された光パルスが第１の光路へと方向付けられるのか、第２の光路へと方向付けられるのか、または１つまたは複数のさらなる光路のうちのいずれか１つへと方向付けられるのかをさらに示し、１つまたは複数のさらなる光路の各光路には、第１の光路を通る光パルスと１つまたは複数の光路のうちのいずれか１つを通る光パルスとの間、または第２の光路を通る光パルスと１つまたは複数の光路のうちのいずれか１つを通る光パルスとの間に所定の固定位相差が提供されるように位相変調器が設けられている。

【0025】

１つの実施形態では、光デバイスは、光ルーティング素子によって受信されることになる光パルスを生成する光源をさらに備える。

【0026】

１つの実施形態では、光源は、レーザ、光学フィルタ、強度変調器、および時間遅延干渉計のうちの１つまたは複数を備える。

【0027】

１つの実施形態では、光源は、１未満の平均光子数を有する光パルスを生成する。

【0028】

１つの実施形態では、光デバイスはさらに、光ルーティング素子によって受光された光の強度を制御する１つまたは複数の入力光強度制御素子を備える。

【0029】

１つの実施形態では、光デバイスはさらに、第１の光路の出力の光強度および／または第２の光路の出力の光強度を制御する１つまたは複数の出力光強度制御素子を備える。

【0030】

１つの実施形態では、光デバイスはさらにフォトニックチップを備え、光デバイスは、フォトニックチップ上に実装される。

【0031】

１つの実施形態では、上で述べた光デバイスと、単一の出力経路からの出力を受信し、出力を１つまたは複数の基底で測定する光受信機とを備える量子通信システムが説明される。

【0032】

１つの実施形態では、量子状態を符号化する方法が説明され、本方法は、光源からコヒーレントな光パルス対を受信するステップと、制御信号を受信するステップと、制御信号に応答して、光パルス対のうちの第１のパルスを第１の光路または第２の光路へとルーティングし、光パルス対のうちの第２のパルスを第１の光路または第２の光路へとルーティングするステップと、ここにおいて、第１の光路を通る光パルスと第２の光路を通る光パルスとの間に所定の固定位相差が提供されるように第１の光路に位相制御素子が設けられ、少なくとも第１の光路と第２の光路の出力を単一の出力経路へと組み合わせるステップと、を備える。

【0033】

図１は、光デバイス１００を例示する概略図である。光デバイス１００は、光源から光（光パルス１１０など）を受光するように構成された入力１０２を備える。また光デバイス１００は、符号化された量子状態を出力するように構成された単一の出力経路１０４を備える。

【0034】

光デバイス１００は、第１の光路１０８Ａおよび第２の光路１０８Ｂに結合された光ルーティング素子１０６を備え、それにより光ルーティング素子１０６によって受光された光（光パルス１１０など）は、第１の光路１０８Ａまたは第２の光路１０８Ｂの一方へと方向付けられるようになる。各光路は、自由空間光路、または導波部品を備える光路を含んでよい。導波部品はオフチップで実装されてよい。例えば、光路は、光路の少なくとも一部または全体を形成するオフチップ光ファイバまたはオフチップポリマー導波路を備える。代替として、導波部品は、オンチップフォトニック導波路であってもよい。オンチップ光導波路は、平面（２－Ｄ）導波路または非平面（３－Ｄ）導波路を含む光導波路であってよい。導波路は、リン化インジウムなどの半導体材料を使用して形成されていてよいし、またはシリコンオンインシュレータ導波路、ガラス導波路、電気光学導波路、または中空導波路であってよい。使用してよい導波路の幾何学的形状は、埋め込み導波路、拡散導波路、リッジ／ワイヤ導波路、ストリップ装荷（strip-loaded）導波路、ＡＲＲＯＷ導波路、リブ導波路、およびスロット導波路を含む。

【0035】

光デバイス１００はさらに、第１の光路１０８Ａおよび第２の光路１０８Ｂを単一の出力経路１０４へと結合するコンバイナ１１２を備える。単一の出力経路１０４は、単一の出力経路１０４への光出力を送信するための通信チャネルに結合されてよい。光デバイス１００はさらに、制御信号ＣＳを当該光ルーティング素子１０６に適用するコントローラ１１４を備える。制御信号ＣＳは、光ルーティング素子１０６によって受光された光が第１の光路１０８Ａへと方向付けられるのか第２の光路１０８Ｂへと方向付けられるのかを示す。したがって、光ルーティング素子１０６は、光スイッチの形態としての働きをする。光ルーティング素子１０６は、制御信号ＣＳを受信したら、受光された光を選択された光路へと選択的に伝達するように再構成可能である。ルーティング素子１０６が光の選択的な再方向付けを達成するために再構成され得る方法については以下でより詳細に説明する。

【0036】

光デバイス１００はさらに、第１の光路１０８Ａに設けられた位相制御素子１１６を備え、それにより第１の光路１０８Ａを通してルーティングされる光パルスと、第２の光路１０８Ｂを通してルーティングされる光パルスとの間に所定の固定位相差が提供される。よって、各経路を通過するパルスがコンバイナ１１２において再結合されると、パルスは、符号化された量子状態を形成することになる。

【0037】

例示的な動作では、光デバイス１００は、第１の光パルスおよび第２の光パルスを有する対のコヒーレントパルスを受信する。これらのパルスは、パルスの測定可能な特性により区別可能である。測定可能な特性は、光パルスの位相、光パルスの強度、および／または光パルスの偏光を含むことができる。以下の詳細な説明および添付図面の基礎を形成する１つの実施形態では、パルスは、タイムビン符号化方式でタイムビンへと分離される。この場合、各パルスは、時間遅延Δｔだけ分離して、光デバイスに連続して到着することになる。この例では、第１のパルスは「前パルス」と呼び、｜ｅ＞と表す。第２のパルスは「後パルス」と呼び、｜ｌ＞と表す。しかしながら、システムで使用され得る光パルスを特徴付けるために他の測定可能な特性を使用することができることが理解されよう。例えば、光子の異なる偏光を有する光パルスが使用されてよい。

【0038】

前パルスおよび後パルスは、光学プロセスおよび光学装置により生成され、以下でより詳細に説明する。前パルスおよび後パルスは、光デバイスの入力１０２に供給される初期状態｜ψ_ｉｎｔ＞＝｜ｅ＞＋｜ｌ＞を共に形成する。前パルスおよび後パルスは、小さい位相オフセットδをそれらの間に有するように生成されてよく、これにより｜ψ_ｉｎｔ＞＝｜ｅ＞＋ｅ^ｉδ｜ｌ＞となる。しかしながら、このオフセットが存在するとき、これはパルスの符号化を通して伝搬され、検出器での測定中に補償される。このように、オフセットが存在したとしても、エンコーダは依然として、前パルスと後パルスとの間に同じ固定位相差を導入してＱＫＤプロトコルで使用するための符号化状態を生成することになり、光受信機での状態測定に影響を及ぼさない。そのため、以下で説明する符号化プロセスでは、このオフセットは無視され、初期状態は｜ψ_ｉｎｔ＞＝｜ｅ＞＋｜ｌ＞とみなされる。光ルーティング素子１０６によって受信された前パルスおよび後パルスの各々は、光ルーティング素子１０６の構成に基づいて異なる光路にルーティングされる。１つの実装形態では、光ルーティング素子１０６は、制御信号ＣＳに応答して第１のルーティング状態と第２のルーティング状態とを切り替え可能である。第１のルーティング状態では、光ルーティング素子１０６は、受信された光パルス１１０を第１の光路１０８Ａへと方向付ける。第２のルーティング状態では、光ルーティング素子１０６は、受信された光パルス１１０を第２の光路１０８Ｂへと方向付ける。よって、光ルーティング素子１０６は、能動光スイッチとしての働きをする。光ルーティング素子１０６は、所望の最終符号化状態に基づいて、選択されたルーティング状態を選ぶように再構成可能である。１つの例では、制御信号ＣＳは、定期的な時間期間で異なる信号状態を切り替える時変信号である。制御信号ＣＳの異なる信号状態は、入力パルス間の時間分離に対応する量だけ時間的に分離している。各信号状態は、受信された光パルスとそろえて光ルーティング状態を切り替えるように光ルーティング素子１０６を制御する。信号状態のパターンは、所望の最終符号化出力状態に基づいて選択される。

【0039】

一実施形態では、光ルーティング素子１０６は光スイッチを備える。一実施形態では、光スイッチは、無線周波数マッハツェンダ変調器（ＲＦ－ＭＺＭ）スイッチであってよい。例えば、光スイッチは、逆の電圧によって駆動される、各アームに同一の位相変調器を有するプッシュプル型ＭＺＭである。制御信号ＣＳは、ＲＦ－ＭＺＭのどの出力が信号を出力するかを切り替えるために位相変調器の各々に供給される。各アーム内の同一の位相変調器に逆の電圧を供給すると、より高い電圧で駆動される単一の位相変調器を設けたときと同等の位相調整が生じる。各位相変調器における位相を変調するためにより小さい電圧が供給されるので、位相不安定性およびアーティファクトを最小限にすることができ、光スイッチがより高品質となる。光スイッチの各アーム内の同一の位相変調器のために任意の能動位相制御素子が設けられてよい。例えば、位相変調器の各々は、熱光学素子、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）素子、圧電部品、キャリア注入位相変調器、キャリア空乏化位相変調器、または電気光学位相変調器を含んでよい。

【0040】

代替として、光スイッチは、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチであってもよい。ＭＥＭＳスイッチは、制御信号ＣＳに応答して光路を機械的に作動させることによって光を再方向付けするように構成される。

【0041】

光ルーティング素子１０６の切替え速度は、少なくとも１／（タイムビンパルスの分離時間）という切替え速度など、タイムビンパルス同士を判別するように選択される。例えば、タイムビンパルスが５００ｐｓ分離している場合、切替え速度は少なくとも２ＧＨｚである。

【0042】

コントローラ１１４は、データを処理し、信号を光ルーティング素子１０６に供給するように構成された任意のコンピュータ処理素子であってよい。１つの実施形態では、制御信号ＣＳは、高レベルと低レベルとを切り替える電圧信号である。高電圧レベルおよび低電圧レベルは、それぞれ、ルーティング状態間で光ルーティング素子１０６を切り替える。よってコントローラ１１４は、入力パルスのタイムビン分離と同期させて電圧の変化を提供するように構成される。

【0043】

上述の光ルーティング素子１０６が、タイムビン符号化パルスを選択的にルーティングするように構成された光スイッチを備えることが理解されよう。別の実施形態では、光スイッチは、偏光によって符号化される光を選択的にルーティングするように構成される。この実施形態では、光ルーティング素子１０６は、切り替え可能な偏光ビームスプリッタから選択された光スイッチを備える。切り替え可能な偏光ビームスプリッタは、入力された光を２つの出力経路へと分割するように構成される。切り替え可能な偏光ビームスプリッタは、制御信号ＣＳに応答して偏光ビームの出力経路を切り替えるように構成される。

【0044】

次に、タイムビン符号化方式についての、図１に示す上述の光デバイス１００の適用例を説明する。最終符号化状態の生成について図２Ａ～図２Ｃを参照して以下で説明する。この実装形態では、制御信号ＣＳは、第１のパルス２２０Ａおよび第２のパルス２２０Ｂを有する連続するコヒーレントなパルス対についての最終符号化状態｜ψ_ｅｎｃ＞を示す。第１のパルスおよび第２のパルスは、上述の初期状態｜ψ_ｉｎｔ＞の前パルスおよび後パルスである。

【0045】

第１の状態の符号化について図２Ａを参照することによって示す。第１のパルス２２０Ａを受信する前、光ルーティング素子２０６は第１のルーティング状態である。第１のパルス２２０Ａを受信すると、光ルーティング素子２０６は、第１のパルス２２０Ａを第１の光路２０８Ａへと方向付ける。光ルーティング素子２０６は、制御信号ＣＳに応答して第１のルーティング状態にされてよい。光ルーティング素子２０６は、第１のパルス２２０Ａを第１の光路２０８Ａへと方向付ける第１のルーティング状態から、第２のパルス２２０Ｂを第２の光路２０８Ｂへと方向付ける第２のルーティング状態に切り替えるように構成される。第１のルーティング状態から第２のルーティング状態への切り替えは、第１の符号化状態を示す制御信号ＣＳに応答するものである。切り替えは、第１のパルス２２０Ａを受信した後だが第２のパルス２２０Ｂを受信する前に行われる。次いで第２のパルス２２０Ｂは、第２の光路２０８Ｂへとルーティングされる。

【0046】

位相制御素子２１６は、第１の光路２０８Ａを通る第１の光パルスを受信し、位相シフトする。よって、第１のパルス２２０Ａおよび第２のパルス２２０Ｂがコンバイナ２１２によって組み合わされると、最終符号化状態が｜ψ_ｅｎｃ＞＝ｅ^ｉφ｜ｅ＞＋｜ｌ＞となるように生成される。

【0047】

第２の状態の符号化について図２Ｂを参照することによって示す。第１のパルス２２０Ａを受信する前、光ルーティング素子２０６は第２のルーティング状態である。第１のパルス２２０Ａを受信すると、光ルーティング素子２０６は、第１のパルス２２０Ａを第２の光路２０８Ｂへと方向付ける。光ルーティング素子２０６は、制御信号ＣＳに応答して第２のルーティング状態にされてよい。光ルーティング素子２０６は、第１のパルス２２０Ａを第２の光路２０８Ｂへと方向付ける第２のルーティング状態から、第２のパルス２２０Ｂを第１の光路２０８Ａへと方向付ける第１のルーティング状態に切り替えるように構成される。第２のルーティング状態から第１のルーティング状態への切り替えは、第２の符号化状態を示す制御信号ＣＳに応答するものである。切り替えは、第１のパルス２２０Ａを受信した後だが第２のパルス２２０Ｂを受信する前に行われ、その結果、第２のパルス２２０Ｂは第１の光路２０８Ａへとルーティングされる。

【0048】

位相制御素子２１６は、第１の光路２０８Ａを通る第２の光パルスを受信し、位相シフトする。よって、第１のパルス２２０Ａおよび第２のパルス２２０Ｂがコンバイナ２１２によって組み合わされると、最終符号化状態が｜ψ_ｅｎｃ＞＝｜ｅ＞＋ｅ^ｉφ｜ｌ＞となるように生成される。

【0049】

第３の状態の符号化について図２Ｃを参照することによって示す。第１のパルス２２０Ａを受信する前、光ルーティング素子２０６は、初期ルーティング状態として第１のルーティング状態または第２のルーティング状態のいずれかである。光ルーティング素子２０６は、制御信号ＣＳに応答してその初期ルーティング状態にされてよい。光ルーティング素子２０６は、第３の符号化状態を示す制御信号に応答して初期ルーティング状態を維持するように構成される（例えば、光ルーティング素子２０６は、第１のパルスおよび第２のパルスの両方を第１の光路２０８Ａを通してルーティングするために第１のルーティング状態を維持するように構成される。代替として、光ルーティング素子２０６は、第３の符号化状態を示す制御信号に応答して、第１のパルスおよび第２のパルスを第２の光路２０８Ｂを通してルーティングするために第２のルーティング状態を維持するように構成される。）。よって、第１の光パルス２２０Ａおよび第２の光パルス２２０Ｂは同じ光路へと方向付けられる。コンバイナ２１２の出力において２つのパルス間に相対位相シフトはない。よって、最終符号化状態は、｜ψ_ｅｎｃ＞＝ｅ^ｉφ｜ｅ＞＋ｅ^ｉφ｜ｌ＞（両方のパルスが第１の光路２０８Ａを通過する場合）となるように、または｜ψ_ｅｎｃ＞＝｜ｅ＞＋｜ｌ＞（両方のパルスが第２の光路２０８Ｂを通過する場合）となるように生成される。

【0050】

図２Ａ～図２Ｃのシステムを用いると、単一の固定位相差を使用することにより３つの可能な状態を符号化することができる。そのため、位相制御素子２１６は、異なるレベルを切り替える必要はない。このように、１つの実施形態では、固定位相差を提供するために受動位相制御素子２１６が使用されてよい。図２Ａ～図２Ｃのシステムを用いると、能動マルチレベル光変調器または複数の個別の能動光変調器を用いることなく量子状態を符号化することができる。位相変調器において複数のレベルを繰り返し切り替えると、経時的に位相変調器をドリフトさせる可能性があり、変動（もしくはパターニング）を引き起こす可能性があり、または位相不安定性を引き起こす可能性がある。そのため、図２Ａ～図２Ｃのシステムを使用した最終符号化状態は、パターニングの低減、不安定性の低減、およびドリフトの低減を伴って生成される。このように、開示されたシステムおよび方法を使用して生成された量子状態は、既存のシステムと比較して、より低いＱＢＥＲおよびより高いＳＫＲを有する。

【0051】

図１および図２Ａ～図２Ｃの光デバイスは、所望の光学状態を生成するために２つの光路間に任意の固定位相差を適用することができる。１つの実施形態では、固定位相差はＱＫＤ方式で使用するための状態を符号化するために選択される。

【0052】

１つの実施形態では、図１および図２Ａ～図２Ｃの光デバイスはエンコーダとしての働きをし、量子状態を符号化する方法を実施するために使用され、本方法は、光源からコヒーレントな光パルス対を受信するステップと、制御信号を受信するステップと、制御信号に応答して、光パルス対のうちの第１のパルスを第１の光路または第２の光路へとルーティングし、光パルス対のうちの第２のパルスを第１の光路または第２の光路へとルーティングするステップと、ここにおいて、第１の光路を通る光パルスと第２の光路を通る光パルスとの間に所定の固定位相差が提供されるように第１の光路に位相制御素子が設けられ、少なくとも２つの光路の出力を単一の出力経路へと組み合わせるステップと、を備える。

【0053】

先に説明したように、いくつかの離散量ＱＫＤ方式が互いに偏らない２つの基底を使用し、各基底は２つの相互直交状態を備える。一般に、少なくとも３つの状態が必要であり、２つの状態が２つの基底のうちの第１の基底であり、少なくとも１つが２つの基底のうちの第２の基底である。よって、ＱＫＤで使用するための１つの実施形態では、所定の固定位相差Δφは、第１の符号化状態および第２の符号化状態が第１の基底の直交状態であり、第３の符号化状態が第２の基底における状態であるようにするものであり、ここにおいて、第１の基底および第２の基底は互いに偏らない基底である。

【0054】

１つの実施形態では、相対位相シフトがΔφ＝π／２として選択されて、以下の３つの符号化状態が生成される。

【数3】

【0055】

状態｜χ_１＞および｜χ_２＞は、上述の多数基底｛π／２，３π／２｝における状態に対応する。｜χ_３＞は、上述の少数基底｛０，π｝における０位相状態に対応する。よって、これらの３つの状態は、３状態ＢＢ８４プロトコルなどのＱＫＤプロトコルで用いることができる。この方式では、状態｜χ_１＞および｜χ_２＞は、それらの間にπ／２のグローバル位相回転を伴って符号化されるが、符号化状態の測定に影響を及ぼさない。

【0056】

別の実施形態では、相対位相シフトはΔφ＝πとして選択される。この実施形態では、一連のコヒーレントパルスがエンコーダに送られる。同じ経路へと方向付けられる連続した光パルスは、ゼロの位相差を光パルス間に有して出力されるが、一方で、異なる経路へと方向付けられた連続したパルスは、±πの相対位相を光パルス間に有して出力される。受信機が｛０，π｝基底の状態を復号するように配置されている場合、測定結果は、相対位相πの符号に依存しない。よって、以下の２つの状態が生成されてよい。
｜Γ_１＞＝ｅ^±ｉπ｜ｅ＞＋｜ｌ＞
｜Γ_２＞＝｜ｅ＞＋｜ｌ＞

【0057】

状態｜Γ_１＞および｜Γ_２＞は、上述の｛０，π｝基底におけるπおよび０位相状態に対応する。よって、これらの２つの状態は、差動位相シフト（ＤＰＳ）ＱＫＤプロトコルにおいて用いることができる。

【0058】

次に、制御信号ＣＳに応答した光ルーティング素子の例示的な動作について図３に関連させて説明する。光源は、複数のパルス対を含む一連の光パルスＰを生成するように構成される。例えば、対Ｐ１１およびＰ１２、対Ｐ２１およびＰ２２、対Ｐ３１およびＰ３２、対Ｐ４１およびＰ４２、ならびに対Ｐ５１およびＰ５２の各々は、タイムビン分離時間Δｔだけ分離した２つのパルスを有する。

【0059】

制御信号ＣＳは、正信号＋Ｖまたは負信号－Ｖの２つのレベルのうちの１つとして光ルーティング素子１０６に供給される。１つの実施形態では、この信号は電圧の形態である。例示的な正信号は＋４Ｖであり、例示的な負信号は－４Ｖである。＋Ｖ信号がコントローラ１１４によって供給されると、光ルーティング素子１０６は第２のルーティング状態にされる。－Ｖ信号がコントローラ１１４によって供給されると、光ルーティング素子１０６は第１のルーティング状態にされる。制御信号ＣＳが、例えば、以下でより詳細に説明する装置において３つ以上の経路を切り替えるとき、３つ以上のレベルを備えてよいことが理解されよう。

【0060】

図３に例示されるように、制御信号は、受信された光パルスの時間分離に合わせて光ルーティング素子１０６を切り替えるように構成された時変信号である。制御信号が第１のパルスおよび第２のパルス（例えば、パルス対Ｐ１１およびＰ１２）に対して同じレベル＋Ｖで維持されるとき、２つのパルスは同じ経路へと方向付けられる。各パルスにはΔφ＝０の位相変調が提供される。そのため、第１のパルスおよび第２のパルスは、ゼロの位相差をそれらの間に有する。そのため、第１のパルスおよび第２のパルスは組み合わさって｛０，π｝基底の０位相状態に対応する符号化状態を形成する。制御信号が第１のパルスと第２のパルス（例えば、パルス対Ｐ２１およびＰ２２またはパルス対Ｐ３１およびＰ３２）との間で－Ｖから＋Ｖに切り替わると、パルスは異なる経路へと方向付けられる。位相制御素子がπ／２の位相シフトを提供するように構成された例では、第１のパルスはΔφ＝π／２の位相変調で変調され、第２のパルスはΔφ＝０の位相変調で変調される。そのため、これらの第１のパルスおよび第２のパルスは組み合わさって｛π／２，３π／２｝基底のπ／２位相状態に対応する符号化状態を形成する。さらなる例として、図３は、｛π／２，３π／２｝基底の３π／２位相状態へと符号化されるさらなる例示的なパルス対Ｐ４１およびＰ４２と、｛０，π｝基底の０位相状態へと符号化される例示的なパルス対Ｐ５１およびＰ５２を例示する。

【0061】

こうして、一連の入力光パルスから、光デバイスは、光デバイスの出力で一連の符号化された量子状態を生成することができる。

【0062】

上述の実施形態の光路の各々は、光伝搬媒体を備える。１つの実施形態では、経路は自由空間に形成される。１つの実施形態では、光デバイス１００はさらに、第１の光路１０８Ａの少なくとも一部分を規定する第１の導光素子と、第２の光路１０８Ｂの少なくとも一部分を規定する第２の導光素子とを備える。光路に導光素子を設けることにより、伝搬損失が最小限になる。１つの実施形態では、導光素子は、光ファイバまたはポリマー導波路から選択される。別の実施形態では、導光素子は、上述の例示的なオンチップ導波路の材料およびオンチップ導波路の幾何学的形状を含む、フォトニック回路上に一体化されたフォトニック導波路から選択される。

【0063】

上記実施形態は、固定位相差を提供する位相制御素子１１６を参照することによって説明した。この位相制御素子１１６は、受動位相制御素子であってよく、電圧などの外部信号によって能動的に制御されることなく、第１の光路を伝播する光に位相遅延を提供するように機能する。受動位相制御素子は、能動位相制御素子と比較して、より高い安定性と位相シフト信号におけるアーティファクトの低減とを提供する。

【0064】

一実施形態では、固定位相差は、第２の導光素子の少なくとも一部分とは異なる光伝搬定数を有する第１の導光素子の少なくとも一部分によって受動的に提供される。異なる光伝搬定数は、異なる特徴を有する、第１の導光素子の少なくとも一部分と第２の導光素子の少なくとも一部分とによって提供されてよい。これらの異なる特徴は、異なる屈折率、異なる幾何学的プロファイル、および異なる化学組成のうちの少なくとも１つを含むことができる。

【0065】

例えば、異なる屈折率は、異なる材料から形成されている導光素子により提供され得る。特に、導光領域に光を閉じ込めるために、２つの領域間の屈折率の差が使用される。２つの領域は、半導体材料と空気、または同じ半導体の２つの異なるドーピング、または２つの異なる材料等であってよい。例示的な材料には、シリコン（３．５）、窒化シリコン（１．７）、リン化インジウム（３．５）、ガリウムヒ素（３）、およびガラス（１．５）が含まれ、ここで括弧内の数字は、電気通信波長（約１９２ＴＨｚの周波数を有する）における材料ごとの近似屈折率である。また、異なるフォトニック結晶材料により異なる伝搬定数が形成された、光の伝搬のための光チャネルを提供する、線欠陥を有するフォトニック結晶を使用することにより、異なる屈折率が提供されてもよい。代替として、メタマテリアルを導波路として使用してよい。

【0066】

異なる導光素子の幾何学的プロファイルは、導光素子の断面を含む。導光素子の断面エリアの違いにより、導波路を通して伝搬される光の有効屈折率の違いが生じる。例えば、導光素子は、光伝搬材料の平面層を含む２－Ｄ／平面導光素子であってよい。コアとは異なる屈折率を有するクラッドおよび／または空気間にコアが積層されて、１つの横断方向における光閉じ込めを提供する。さらなる例として、導光素子は、３－Ｄ導光素子であってよく、ここではコアは非平面であり、異なる屈折率を有するクラッドおよび／または空気によって取り囲まれており、全横断方向における光閉じ込めを提供する。コアの横断面エリアは、導光素子内を伝播する光モードについての有効屈折率を加減するために変えられてよく、横断方向における異なる軸について異なる屈折率を提供するように加減されてよい。使用してよい例示的なコアの幾何学的形状は、埋め込み導波路、拡散導波路、リッジ／ワイヤ導波路、ストリップ装荷導波路、ＡＲＲＯＷ導波路、リブ導波路、およびスロット導波路を含む、上述の導波路幾何学的形状を含む。メタマテリアルが使用される例では、異なる伝搬定数がメタサーフェスの異なるエリアにおいて形成されてよい。

【0067】

位相制御素子は、各光路の異なる全体経路長を含むことによって受動的に位相遅延を導入することができる。第１の経路が第２の経路よりも量ΔＬだけわずかに長くされている場合、第１の経路を通過する光は第２の経路に対して量Δｔ＝ΔＬ＊ｎ／ｃだけ遅延することになり、ここで、ｃは光の速度であり、ｎは屈折率である。これにより角速度ωを有する光パルスではΔΦ＝ωΔＬ＊ｎ／ｃという位相シフトとなる。電気通信で用いられる波長（約１９２ＴＨｚ）の場合、ごく短い経路長が必要であり、ΔＬ＝ΔΦ＊ｃ／（ω＊ｎ）＝ΔΦ＊λ／（２π＊ｎ）によって与えられる。例えば、屈折率が約３．５であるシリコンまたはＩｎＰから形成された導光素子の場合、ΔＬ＝１１０ｎｍがπ／２位相シフトを提供することになる。真空（ｎ＝１）に設けられた導光素子の場合、ΔＬ＝３９０ｎｍがπ／２位相シフトを提供することになる。

【0068】

代替例として、各光路における光伝搬材料のドーピング濃度を変えることによって異なる化学組成が得られてよく、これは次に、各光路の屈折率に異なって影響を及ぼす。例えば、導波路は、ＩｎＰを基板として使用しＩｎ_１－ｘＧａ_ｘＡｓ_ｙＰ_１－ｙをコアとして使用して各光路において用いられてよく、ここで、各光路において異なる屈折率を提供するために、各光路はコアにおいて異なるヒ素濃度ｙを有する導波路を使用する。同様に、ＩＩ－Ｖ半導体の混合物（ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＧａＡｓ、またはＧａＮ／ＡｌＧａＮを含む）、またはゲルマニウムをドーピングしたシリコン、窒化シリコン、もしくは酸化窒化シリコンから形成された導波路を使用することができる。

【0069】

１つの実施形態では、位相制御素子１１６は、能動位相制御素子を備える。能動位相制御素子は、屈折率を調整するために導波路に熱を供給する、導波路上にまたは導波路に近接して抵抗物質が置かれた熱光学素子を備えてよい。代替的または追加的に、位相制御素子は、屈折率に影響を及ぼすために導波路にひずみをかけるように圧電材料が設けられた圧電部品を備える。代替的または追加的に、位相制御素子は、ＭＥＭＳ素子、キャリア注入位相変調器、キャリア空乏化位相変調器、または電気光学位相変調器を備える。これらの特定の位相制御素子は例にすぎず、他の位相変調素子により相対位相を符号化することができる。例えば、位相変調素子は、電場がＰＮ接合にわたって印加されて伝搬指数変化を生じさせる進行波電極を含んでよい。光波および電波が同様の速度で伝搬する場合、高い変調周波数に達することが可能である。さらなる例では、位相変調素子は、屈折率変化をもたらす表面弾性波の形態の機械的振動を生じさせるために圧電材料上で使用される櫛形電極を含んでよい。

【0070】

さらなる例では、位相制御素子１１６は、２Ｄ材料と、グラフェンなど原子層堆積によって堆積された材料とを含んでよい。２－Ｄ材料は、導波路の上部に設けられ、高速で位相を受動的にシフトするために使用される。

【0071】

位相同調素子が使用される１つの実施形態では、２つの光路の特徴は同一である。よって、位相差Δφは、位相同調素子のみの作用によって生成される。代替として、位相同調素子は、異なる光路が異なる特徴を有する上記例と組み合わせて設けられてよい。位相同調素子からの位相変調および異なる特徴からの位相変調が組み合わさって、選択された固定位相差が生成される。

【0072】

１つの実施形態では、上述の位相制御素子は、第１の位相制御素子であり、ここにおいて、光デバイスはさらに、第２の光路に設けられた第２の位相制御素子を備える。第２の位相制御素子もまた、第１の位相制御素子に関連して上述した受動位相シフティングを提供する受動位相制御素子であってよいし、または、第１の位相制御素子に関連して上述した、熱光学素子、ＭＥＭＳ素子、圧電部品、キャリア注入位相変調器、キャリア空乏化位相変調器、または電気光学位相変調器のうちの少なくとも１つを備える能動位相制御素子であってよい。このようにして、２つの位相制御素子は、所望の位相差を付与するように構成され、例えば、１つの位相同調素子には－π／４位相を付与させ、もう１つの位相制御素子は＋π／４位相を付与する（それによって、組み合わさってπ／２の位相差になる）。

【0073】

１つの実施形態では、光デバイス１００において使用される任意の位相制御素子は、時変位相差を付与するように能動的に制御され得る能動位相制御素子であってよい。例えば、位相制御素子は、π／ｎの位相差を付与するように構成され得、ここでｎ＞１である。また、コントローラ１１４は、ｎを変化させるために位相制御信号を能動位相制御素子に供給するように構成されてよい。ｎの変化は、パルスごとに異なるｎ値を選択するようにタイムビン分離パルスに合わせたものであってよい。よってｎの値は、連続するパルス対の間の所望の位相差を符号化するために選択され得る。この実施形態では、幅広い最終符号化出力状態が可能である。マルチレベル位相変調器が使用されるが、マルチレベル位相変調器は依然として光ルーティング素子１０６と共に実装される。光ルーティング素子１０６はマルチレベル位相変調器を通してパルスを選択的にルーティングすることができる。よって、マルチレベル位相変調器を使用する上述の光デバイスは、選択されたｎの値ごとに複数の状態を符号化することができる。さらに、符号化に利用可能な状態の数を増加させて、エンコーダは、４状態および６状態ＢＢ８４プロトコルおよび連続量ＱＫＤプロトコルを含む、より多数の状態を使用する量子通信プロトコルのためのパルスを符号化してよい。

【0074】

１つの実施形態では、光デバイス１００は、光ルーティング素子１０６によって受信されることになる光パルスを生成する光源を備える。１つの実施形態では、光源はレーザを含む。そのようなレーザは、ランダム化された位相をパルス間に有する一連の時間分離パルスを生成するように構成された利得スイッチレーザであってよい。次いで、非対称マッハツェンダ干渉計（ＡＭＺＩ）などの時間遅延干渉計へと各パルスを方向付けることによってコヒーレントパルス対が生成されて、各入力パルスからコヒーレントな時間分離した対が生成されてよい。よって、出力パルスの各対は、ＡＭＺＩから出力された他の出力パルスに対して位相ランダム化されている。

【0075】

代替の実施形態では、光源は、第２のレーザおよび光学フィルタを備える。第２のレーザは（従来の用語を使用すると）「マスタレーザ」として動作し、第１のレーザは（従来の用語を使用すると）「スレーブレーザ」である。第２のレーザは第１のレーザにシードを供給し、これは、第１のレーザによって出力されるレーザパルスが固定の位相関係を有することを意味する。第１のレーザの各出力パルスが上述のＡＭＺＩへと入力されて、コヒーレントパルス対が生成され得る。代替として、第１のレーザからの出力パルス対は、量子状態を符号化するためのコヒーレントパルス対として使用することができる。

【0076】

１つの実施形態では、第２のレーザは、位相制御素子によって変調される。第２のレーザによって供給されるシードは、マルチレベル信号によって変調されて、各マスタレーザシード間に異なる位相関係を導入し、これは次に、第１のレーザの出力パルス間に異なる位相を生成する。この位相変調は固定またはランダムであってよい。

【0077】

別の代替例として、レーザは、強度変調器と共に用いられる連続波ＣＷレーザであってよく、ＣＷレーザの出力が選択的に変調されてパルスレーザ出力が生成される。

【0078】

１つの実施形態では、光源は、１未満の平均光子数を有する光パルスを生成するように構成される。代替として、光デバイスには、コンバイナの出力に結合された減衰器が設けられ、１未満の平均光子数を有するように光パルスをコンバイナの出力において減衰させる。平均光子数１未満を用いるこれらの実施形態では、システムは、離散量量子通信のために適応される。

【0079】

代替の実施形態では、光パルスは、１未満の平均光子数を有するように生成され、この場合、システムは、連続量量子通信のために適応されてよいし、または古典的通信での使用のために適応されてよい。

【0080】

１つの実施形態では、光源は、タイムビン差Δｔに等しい均一の分離時間を有する一連の光パルスを生成するように構成される。一連の光パルスは、符号化されることになる複数の光パルス対を備える。一連の光パルスの一例が図３の複数のパルスＰで例示されており、各パルスが時間的に隣接するパルスからΔｔの時間分離を有することを示している。そのため、任意の２つの連続するパルスは同じ時間分離を有する。

【0081】

一実施形態では、ＤＰＳ ＱＫＤプロトコルで量子状態を符号化するために、一連の光パルスは均一の分離を有し、位相コヒーレントであり、固定位相差はπである。この実施形態では、一連の光パルスからの任意の２つの連続するパルスが量子状態を符号化するために使用されてよい。任意のパルス対のうちの第１のパルスが第１の光路を通して方向付けられてπ位相シフトを提供される場合、第２のパルスは、第１の光路または第２の光路のいずれかを通して方向付けられ得る。第２のパルスが第１の光路を通して送られる場合、パルス間に位相差はなく、パルス対は０位相状態を形成する。第２のパルスが第２の光路を通して送られた場合、パルス間にπの位相差があり、パルス対はπ位相状態を形成する。代わりに任意のパルス対のうちの第１のパルスが第２の光路を通して方向付けられて０位相シフトを提供される場合、第２のパルスは、第１の光路または第２の光路のいずれかを通して方向付けられ得る。第２のパルスが第１の光路を通して送られる場合、パルス間にπ位相差があり、パルス対はπ位相状態を形成する。第２のパルスが第２の光路を通して送られた場合、パルス間に位相差はなく、パルス対は０位相状態を形成する。１つの実装形態では、光パルスは先行するパルスと組み合わされて第１の量子状態を形成する。さらに、光パルスは後続する光パルスと組み合わされて第２の量子状態を形成する。よって、３つの光パルスが使用されて２つの量子状態を形成することができる。結果として、パルス内でより多くの量子状態を符号化することができ、より高いＳＫＲを達成することができる。

【0082】

１つの実施形態では、光デバイス１００はさらに、光ルーティング素子によって受光された光の強度を制御する１つまたは複数の入力光強度制御素子を備える。入力光強度制御素子は、減衰素子または増幅素子を備えてよい。減衰素子または増幅素子は、光路で生じ得る任意の異なる量の光減衰のバランスをとるように光の強度を調整する。例えば、光強度制御素子は、吸収および散乱などの影響を軽減する。そのため、光強度制御素子は量子通信チャネルにおける光パルス強度のミスバランスを補正する。光パルス強度のバランスがとれていると、盗聴者は強度差から位相などの光子特性を推論することができず、したがって符号化基底を推測する。

【0083】

入力光強度制御素子の代替として、またはそれに加えて、光デバイスは、第１の光路１０８Ａの出力の光強度および／または第２の光路１０８Ｂの出力の光強度を制御する１つまたは複数の出力光強度制御素子を備えてよい。出力光強度制御素子は、減衰素子または増幅素子であってよく、第１の光路および第２の光路を通過する光の強度を調整するように構成される。１つの実施形態では、出力光強度制御素子は、異なる光路を通して伝播する光の強度のバランスをとって同じ出力強度を生成するように構成され得る。

【0084】

追加または代替の実施形態では、本明細書に記載のコンバイナ素子は、各光路を通して伝搬される光のごく一部を選択的に伝達するように構成されてよい。１つの実施形態では、コンバイナは、ＭＺＭの一方または両方のアームに同調可能な減衰素子または同調可能な増幅素子を備える同調可能なＭＺＭである。

【0085】

図４には、前述の光デバイスの変形形態が例示されている。図４の光デバイスは、さらなる量子状態を符号化するために使用されてよい。図４の光デバイス４００は、図１および図２Ａ～図２Ｃに関連して前述した特徴を備え、第１の光路４０８Ａおよび第２の光路４０８Ｂに結合された光ルーティング素子４０６と、第１の光路４０８Ａおよび第２の光路４０８Ｂを単一の出力経路へと結合するコンバイナ４１２と、第１の光路４０８Ａに設けられた位相制御素子４１６とを含む。図１および図２Ａ～図２Ｃに関連して上述した特徴が図４にも関連して提供されてよいことが理解されよう。そのため、前述の特徴は繰り返して説明しない。

【0086】

さらに、光デバイス４００において、光ルーティング素子４０６は１つまたは複数のさらなる光路４０８Ｃ．．．４０８Ｎに結合され、コンバイナ４１２はさらに、１つまたは複数のさらなる光路４０８Ｃ．．．４０８Ｎを単一の出力経路へと結合する。さらに制御信号ＣＳは、光ルーティング素子によって受信された光パルスが第１の光路４０８Ａへと方向付けられるのか、第２の光路４０８Ｂへと方向付けられるのか、または１つまたは複数のさらなる光路のうちのいずれか１つへと方向付けられるのかを示す。１つの実施形態では、光ルーティング素子４０６は、縦列構成で接続された複数のＭＺＭを備える。縦列構成において、第１のＭＺＭは入力光パルスを受信し、第１のＭＺＭの一方または両方の出力が、別個の後続のＭＺＭの入力に結合される。後続の各ＭＺＭは、光デバイスの光路に結合されてよいし、またはさらなる後続のＭＺＭに結合されてよく、ここで縦列ＭＺＭ構成は、光路の数に等しい出力総数を備える。光ルーティング素子４０６は、１つまたは複数のさらなる光路の各々について後続のＭＺＭを備える。制御信号ＣＳは、光ルーティング素子４０６の最終出力を選択するように各ＭＺＭの出力を切り替えるために縦列ＭＺＭの各ＭＺＭに供給される信号を備える。

【0087】

代替の実施形態では、光ルーティング素子４０６は、複数の出力を有するＭＥＭＳ光スイッチを備え、出力の数は光デバイスにおける光路の数に対応している。さらなる代替の実施形態では、光ルーティング素子４０６は、複数のＭＥＭＳ光スイッチを備え、各ＭＥＭＳ光スイッチが２つの出力を有しており、複数のＭＥＭＳ光スイッチは縦列構成で設けられている。

【0088】

１つまたは複数のさらなる光路４０８Ｃ．．．４０８Ｎの各経路には、位相制御素子４１６Ｃ．．．４１６Ｎが設けられる。１つのさらなる経路から最大Ｎ個のさらなる経路まで任意の数のさらなる経路があってよい。

【0089】

１つまたは複数のさらなる光路に設けられたさらなる位相制御素子は、上述の位相制御素子１１６と同じ方法で様々な形態をとってよい。１つの実施形態では、各位相制御素子は、異なる位相変調φ_Ｎを提供するように構成される。よって、各経路は、その経路を通過する光パルスに異なる位相シフトを提供するように構成され得る。制御信号ＣＳに応答して、光ルーティング素子４０６は、Ｎ個の光路のうちのいずれかの特定の経路に光パルスをルーティングすることができる。第Ｎの経路を通過する光パルスは位相変調φ_Ｎを経る。パルス対の各パルスを第１の光路４０８Ａ、第２の光路４０８Ｂ、および１つまたは複数のさらなる光路４０８Ｃ．．．４０８Ｎから選択された光路へと再方向付けすることにより、能動マルチレベル位相変調器または複数の能動位相変調器を使用することなく様々な量子状態を符号化することができる。

【0090】

図４の上記実施形態では、光デバイスは、低減された数の光位相制御素子を使用することにより多数の量子状態の符号化を可能にすることによって量子状態符号化に改良をもたらす。すなわち、光デバイスに追加された経路および位相制御素子ごとに、さらなる２つの位相が符号化のために利用可能である。上述のように、状態を符号化するために使用される光学制御素子の数を低減すると、パターニング、不安定性、およびドリフトが低減する。

【0091】

例えば、システムは、π位相変調を提供するように構成されたさらなる経路４０８Ｃを備えてよい。この場合、光ルーティング素子４０６は、前パルス｜ｅ＞をさらなる経路４０８Ｃへとルーティングし、後パルス｜ｌ＞を第２の光路４０８Ｂへとルーティングするように方向付けられてよく、光学状態｜χ_４＞＝ｅ^ｉπ｜ｅ＞＋｜ｌ＞を符号化し、これは、上述の｛０，π｝基底のπ位相状態に対応する。よって、さらなる光路４０８Ｃを使用する図４のシステムは、｛０，π｝および｛π／２，３π／２｝基底の４つの全状態を生成するために使用することができ、システムを４状態ＢＢ８４ ＱＫＤプロトコルのためのエンコーダとする。

【0092】

３つの光路を有する光デバイスは、合計５つの可能な状態を符号化するために使用することができ、４つの光路を有する光デバイスは、７つの可能な状態を符号化するために使用することができる。一般に、図４の光デバイスが合計Ｎ個の光路を含み、各光路内の各位相制御素子が異なる位相シフトを提供するように構成されているとき、光デバイスは合計２Ｎ－１個の状態を符号化することができる。よって、エンコーダは、２つ、４つ、６つ、８つ、１６個、またはそれ以上の可能な状態を必要とし得る、連続量ＱＫＤ（ＣＶ－ＱＫＤ）方式に必要な数の状態を符号化するために使用することができる。

【0093】

１つの実施形態では、１つまたは複数のさらなる光路４０８Ｃ．．．４０８Ｎは、第３の光路および第４の光路を備える。第３の光路は、受光された光を変調してΔφ＝π／２＋δという固定位相差を付与するように構成された位相制御素子を備え、第４の光路は、受光された光を変調してΔφ＝δという固定位相差を付与する位相制御素子を備える。

【0094】

よって、第３の光路を通過する光と第４の光路を通過する光との間の位相差は、Δφ＝π／２となる。光ルーティング素子４０６は、第１の光路および第２の光路への選択的なルーティングと同じ方法で、パルスを第３の光路および第４の光路へと選択的に方向付けて｛０，π｝および｛π／２，３π／２｝基底で状態を符号化することができる。しかしながら、第３の光路および第４の光路を通って符号化された最終状態と第１の光路および第２の光路によって符号化された最終状態とは、量δだけ位相が分離している。この実施形態を使用した最終符号化状態のコンステレーションが図５に例示されている。この実施形態を用いると、グローバル位相シフトされた最終符号化状態を固定位相入力パルスから生成することができる。

【0095】

図４のシステムを用いると、任意の赤道ブロッホ状態（equatorial Bloch state）を符号化するために異なる位相変調を伴うように任意の数の光路が選択されてよいことが理解されよう。よって、図４の実施形態は、量子チャネルを介した通信のための量子状態の生成におけるフレキシビリティを向上させる。

【0096】

図６は、さらなる実施形態を例示しており、上述の光デバイスがフォトニックチップ６００を備え、光デバイスはフォトニックチップ６００上に実装されている。上述の光デバイスの各構成部品が、フォトニックチップ６００の一体化部品として実装されてよい。１つの実施形態では、フォトニックチップ６００は、第１のレーザ６０１、光学フィルタ６０２、第２のレーザ６０４、光ルーティング素子６０６、第１の光路６０８Ａ、第２の光路６０８Ｂ、第１の光路６０８Ａに配置された第１の位相制御素子６１０Ａ、第２の光路６０８Ｂに配置された第２の位相制御素子６１０Ｂ、コンバイナ６１２、および出力ポート６１４を備える。１つの実施形態では、第１の光路および第２の光路は、チップ上に一体的に形成された導波路によって実装される。また第１の光路および第２の光路は、前述の任意選択の導光素子を備えてよい。さらに、チップ部品間で光を伝搬するために使用される他の素子も、チップ上に一体的に形成された導波路によって実装されてよい。

【0097】

１つの実施形態では、フォトニックチップは入力ポート６１６を備える。入力ポート６１６は、外部コントローラから制御信号ＣＳを受信するように構成される。入力ポート６１６は、制御信号ＣＳを光ルーティング素子６０６にルーティングするように構成される。

【0098】

１つの実施形態では、入力ポート６１６は、フォトニックチップ６００上の他の構成部品を制御するための信号を供給するためにこれらの構成部品にも接続される。例えば（図６には図示せず）、入力ポート６１６は、第１のレーザ６０１、光学フィルタ６０２、第１の位相制御素子６１０Ａ、第２の位相制御素子６１０Ｂ、およびコンバイナ６１２の各々に結合されてよい。

【0099】

代替の一実施形態では、コントローラもフォトニックチップ６００上に一体的に形成される。一体的に形成されたコントローラは、光ルーティング素子６０６に結合される。１つの実施形態では、一体的に形成されたコントローラは、フォトニックチップ６００上の他の構成部品を制御するための信号を供給するためにこれらの構成部品にも接続される。例えば、一体的に形成されたコントローラは、第１のレーザ６０１、光学フィルタ６０２、第１の位相制御素子６１０Ａ、第２の位相制御素子６１０Ｂ、およびコンバイナ６１２の各々に結合される。コントローラは、コントローラ動作を修正するための外部信号を受信するために入力ポート６１６にも結合されてよい。１つの実施形態では、フォトニックチップはリン化インジウム（ＩｎＰ）チップである。

【0100】

フォトニックチップを使用することにより、使いやすさ、フットプリントの縮小、通信の高速化、および高パワー効率が可能となる。さらに、フォトニックチップにより光デバイスおよび量子通信システムの小型化が可能になる。

【0101】

１つの実施形態では、光デバイス１００は、図７に例示されるように量子通信システムの一部として使用される。量子通信システムは、本明細書に記載の実装形態に係る光デバイス７００を備える。また量子通信システムは、単一の出力経路からの出力を受信するように構成され、受信された出力を１つまたは複数の基底で測定するように構成された光受信機７１０を備える。光デバイス７００は、出力７０２からの符号化状態を量子チャネル７０８を介して送るための光送信機として動作する。光デバイス７００は、「アリス」によって利用される符号化デバイスの例であり、光受信機７１０は、「ボブ」によって利用される復号デバイスの例である。

【0102】

光受信機７１０は、量子チャネル７０８を介して送られた情報を受信するように構成された受信機ポート７１２を備える。受信機ポートは、受信された符号化状態を２つの受信機光路へと等確率で分割するビームスプリッタ７１６に結合される。２つの受信機光路は、第１の受信機光路７１４Ａおよび第２の受信機光路７１４Ｂを備える。第２の受信機光路７１４Ｂは、第１の受信機光路７１４Ａよりも長い経路長を有するように構成される。第２の受信機光路７１４Ｂを通過する光は、光デバイス７００によって符号化された時間分離した光パルスのタイムビン分離Δｔと適合する時間遅延を受ける。光受信機７１０はさらに、２つの出力受信機光路を第１の検出器７２２Ａおよび第２の検出器７２２Ｂに結合するコンバイナ７２０を備える。

【0103】

第２の受信機光路７１４Ｂに入る光パルスは、第１の受信機光路７１４Ａに入る符号化状態に対して遅延を受けることになる。よって、第２の受信機光路７１４Ｂに入った前パルスは、第１の受信機光路７１４Ａに入った後パルスと時間的に一致するように遅延されることになる。よって、第１および第２の受信機光路の出力は受信機コンバイナ７２０によって組み合わされ、これは量子干渉の影響を受けることになる。

【0104】

干渉は、第１の受信機光路７１４Ａにある受信機位相制御素子７１８を使用することにより同調させることができる。受信機位相制御素子７１８は、測定位相差を提供するように、第１の受信機光路７１４Ａを通る符号化状態の位相を変調し、該測定位相差は、選択された基底で測定するために選択されている。１つの実施形態では、測定位相差は｛π／２，３π／２｝基底で測定するためにπ／２に選択され、測定位相差は｛０，π｝基底で測定するために０に選択される。

【0105】

一例として、検出器が｛０，π｝基底で測定するように構成され、符号化状態が｛０，π｝基底の０状態で符号化されているとき、光検出器は、検出器７２２Ａにおいて１を登録し、検出器７２２Ｂにおいて０を登録することになる。検出器が｛０，π｝基底で測定するように構成され、符号化状態が｛π／２，３π／２｝基底のπ／２状態で符号化されているとき、検出器は、等確率で検出器７２２Ａおよび検出器７２２Ｂにおいて計数を測定する。さらなる例として、検出器が｛π／２，３π／２｝基底で測定するように構成され、符号化状態が｛π／２，３π／２｝基底のπ／２位相状態で符号化されているとき、光検出器は、検出器７２２Ａにおいて１を登録し、検出器７２２Ｂにおいて０を登録することになる。同様に、検出器が｛π／２，３π／２｝基底で測定するように構成され、符号化状態が｛π／２，３π／２｝基底の３π／２位相状態で符号化されているとき、光検出器は、検出器７２２Ａにおいて０を登録し、検出器７２２Ｂにおいて１を登録することになる。検出器が｛π／２，３π／２｝基底で測定するように構成され、符号化状態が｛０，π｝基底の０位相状態で符号化されているとき、検出器は、等確率で検出器７２２Ａおよび検出器７２２Ｂにおいて計数を測定する。

【0106】

初期状態｜ψ_ｉｎｔ＞＝｜ｅ＞＋ｅ^ｉδ｜ｌ＞において前パルスと後パルスとの間に位相オフセットが存在する上述の状況を再考する。この状況では、受信機位相制御素子７１８によって提供される位相シフトの調整によってオフセットは補償される。例えば、δ位相オフセットが存在する場合、検出器は｛π／２，３π／２｝基底で測定するように構成されるべきであり、位相制御素子は（π／２＋δ）の位相シフトを付与するように設定される。δ位相オフセットは、量子鍵情報を含むパルスの前に光デバイスによって送られた較正パルスの測定値から決定されてよい。

【0107】

１つの実施形態では、光受信機７１０はさらに、ビームスプリッタ７１６に入る光の強度を制御する１つまたは複数の光強度制御素子を備える。追加的または代替的に、光受信機は、コンバイナ７２０に入る光の強度を制御する光強度制御素子を備える。光強度制御素子は、長いほうの光路７１４Ｂを光が通過することから受ける伝搬損失のバランスをとるために設けられる。１つの実施形態では、ビームスプリッタ７１６および／またはコンバイナ７２０は同調可能な構成部品である。例えば、ビームスプリッタ７１６および／またはコンバイナ７２０の各々は同調可能なＭＺＩである。同調可能な構成部品は、長いほうの光路の通過による伝搬損失に対抗するために光の強度のバランスをとるために設けられる。

【0108】

光受信機７１０は、フォトニックチップ上に実装されてよく、光受信機７１０の各構成部品はフォトニックチップ上の一体化部品として実装される。受信機コントローラ７２４もフォトニックチップ上に実装されてよい。代替として、受信機コントローラは、フォトニックチップと通信する外部コンピュータハードウェアにおいて実装されてよい。１つの例では、ビームスプリッタ７１６、コンバイナ７２０、第１の受信機光路７１４Ａ、第２の受信機光路７１４Ｂ、および受信機位相制御素子７１８は共に、ＡＭＺＩによって具現化される。１つの実施形態では、フォトニックチップはリン化インジウム（ＩｎＰ）チップである。

【0109】

特定の実施形態について説明したが、これらの実施形態は単に例として提示されており、本発明の範囲を限定することは意図していない。本明細書に記載の新規のデバイスおよび方法は、その他の様々な形態で具現化することができ、さらに、本発明の要旨から逸脱することなく、本明細書に記載のデバイス、方法、および製品の形態に様々な省略、置き換え、および変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲とその均等物は、本発明の範囲および要旨に含まれる形態または変形を網羅することを意図している。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】